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1Chp3服务内容无线检测与控制技术目录CONTENTSPAGEChp1基本概念Chp2发展历程Chp5研究现状Chp3体系架构Chp6应用介绍Chp7存在问题Chp4技术特点3Chap1基本概念•由大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，以协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息，并最终把这些信息发送给网络的所有者。•技术支持：微机电系统(Micro-Electro-MechanismSystem,MEMS)片上系统(SystemonChip,SoC)无线通信低功耗嵌入式技术无线传感器网络WirelessSensorNetwork，WSNNEXTChap2无线传感器网络发展历程5Chap2发展历程•20世纪70年代越战时期使用的传统传感器系统。•当年美越双方在密林覆盖的“胡志明小道”进行了一场血腥较量。“胡志明小道”是胡志明部队向南方游击队输送物资的秘密通道，美军对其进行了狂轰滥炸，但效果不大。•后来，美军投放了2万多个“热带树”传感器。“热带树”实际上是由震动和声响传感器组成的系统，它由飞机投放，落地后插入泥土中，只露出伪装成树枝的无线电天线，因而被称为“热带树”。只要对方车队经过，传感器探测出目标产生的震动和声响信息，自动发送到指挥中心，美机立即展开追杀，总共炸毁或炸坏4.6万辆卡车。第一阶段6•二十世纪80年代至90年代之间。主要是美军研制的分布式传感器网络系统、海军协同交战能力系统、远程战场传感器系统等。•这种现代微型化的传感器具备感知能力、计算能力和通信能力。•1999年，商业周刊将传感器网络列为21世纪最具影响的21项技术之一。第二阶段Chap2无线传感器网络发展历程7•21世纪开始至今，也就是9·11事件之后。这个阶段的传感器网络技术特点在于网络传输自组织、节点设计低功耗。除了应用于反恐活动以外，在其它领域更是获得了很好的应用，所以2002年美国国家重点实验室－－橡树岭实验室提出了“网络就是传感器”的论断。第三阶段Chap2无线传感器网络发展历程8SensorsObject信号分析有线/无线连接传统感知方法•传感器接近感知对象；•传感器仅产生数据流；•传感器无计算能力；•无传感器间通信能力；Chap2无线传感器网络发展历程9SensingAreaObjectUser端SinkInternet或通信卫星SensornetworkUser端现代感知方法•传感器网络覆盖感知对象区域•每个传感器完成其临近感知对象的观测•多传感器协同完成感知区域的大观测任务•使用多跳路由算法向用户报告观测结果Chap2无线传感器网络发展历程10计算设备演化历史巨型机小型机工作站PCPDAWSN节点等生物芯片Chap2无线传感器网络发展历程11传感器网的影响Chap2无线传感器网络发展历程12传感器网的影响Chap2无线传感器网络发展历程13未来四大高技术将掀起新产业浪潮传感器网的影响Chap2无线传感器网络发展历程NEXTChap3无线传感器网络体系架构15系统架构Chap3无线传感器网络体系架构16•传感器节点功能：采集、处理、控制和通信等网络功能：兼顾节点和路由器资源受限：存储、计算、通信、能量•Sink节点功能：连接传感器网络与Internet等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，发布管理节点的监测任务，转发收集到的数据。特点：连续供电、功能强、数量少等节点架构Chap3无线传感器网络体系架构17•传感器模块：信息采集、数据转换•处理器模块：控制、数据处理、网络协议•无线通讯模块：无线通信，交换控制信息和收发采集数据•能量供应模块：提供能量传感器节点结构Chap3无线传感器网络体系架构18网络架构Chap3无线传感器网络体系架构网络服务接口网络管理接口NEXTChap4无线传感器网络技术特点20例如：对森林、草原进行防火监测、野生动物活动情况监测、环境监测往往要布置大量的无线传感器节点，布设范围也往往超过一般的局域网范围。Chap4无线传感器网络技术特点1网络规模大（节点数量多）布置大量的无线传感器节点的优点：[1]提高整体监测的精确度。[2]降低对单个节点的精度要求。[3]大量冗余节点的存在使得系统有较强的容错性能21与局部网的布设不同，无线传感器节点的位置布设前不能事先确定（飞机撒布、人员随机布设），节点之间的相互邻居关系也不能事先确定。要求：无线传感器节点具有自组织能力，能够自动进行配置管理。实现方法：通过拓扑控制机制和网络路由协议自动形成能够转发数据的多跳无线网络系统。2自组织网络Chap4无线传感器网络技术特点22无线传感器网络的拓扑结构经常改变。原因：[1]被动改变1）传感器节点电能耗尽。2）环境变化造成通信故障。3）传感器节点本身出现故障。[2]主动改变1）增加新节点。2）根据路由算法的优化做出的改变。3动态性网络Chap4无线传感器网络技术特点23[1]传感器节点本身硬件结构可靠布设时：可能通过飞机撒布、炮弹（火箭）发射、布设。工作时：风吹、日晒、雨淋。严寒、酷暑。维护性：维护十分困难（几乎不可能）。[2]网络结构可靠自组织、动态性保证基本的信息传输正常。[3]软件可靠鲁棒性强。[4]信息保密性强4可靠性强Chap4无线传感器网络技术特点24互联网上传递的信息是五花八门的，但是无线传感器网络传递的信息与所关心的物理量密切相关。不同的应用背景对无线传感器网络的需求不同。最终导致其硬件平台、软件系统甚至网络协议都不同。所以在无线传感器网络中很难找到一种统一的通信协议平台。为了实现高效率，往往要针对一个具体应用来研究无线传感器网络技术。5应用相关性Chap4无线传感器网络技术特点25在互联网中终端、主机、路由器、服务器等设备都有自己的IP地址。想访问互联网中资源，必须先知道存放资源的服务器的IP地址。所以互联网是一个以地址为中心的网络。而无线传感器网络是任务型网络。在WSN中，节点虽然也有编号。但是编号是否在整个WSN中统一取决于具体需要。另外节点编号与节点位置之间也没有必然联系。用户使用WSN查询事件时，将关心的事件报告给整个网络而不是某个节点。许多时候只关心结果（数据）如何，而不关心是哪个节点发出的数据。6以数据为中心Chap4无线传感器网络技术特点26传感器节点的限制•电源能量有限：电池供电、难于更换。•通信能力有限：距离小于100M；速率小于1，000kbps•计算和存储能力有限：处理器能力弱、存储容量小。Chap4无线传感器网络技术特点27结点数量更为庞大多数节点为静止节点分布更为密集结点更容易出错能量约束拓扑结构变化频繁几十至上百个节点局域网节点全移动结构变化（移动）能量可连续提供点到点通信WSN移动Adhoc网络VSChap4无线传感器网络技术特点NEXTChap5无线传感器网络研究进展29美国陆军的研究计划•“灵巧传感器网络通信”（2001－2005，通用通信基础设施）•“无人值守地面传感器群”（支持陆军更广阔视野）•“战场环境侦察与监视系统”（侦察和情报）美国海军的研究计划•“传感器网络系统”（战术和战略级的传感器信息管理）•“网状传感器系统CEC（Cooperativeengagementcapability)(装载在舰艇和战斗机群上，进行高精度侦察）美国国防部•SmartSensorWeb，5个尖端研究领域之一（以Web为中心的传感器信息分发和融合网络）美国Sandia国家实验室和能源部（发现对地铁、车站的生化武器袭击）Chap5WSN研究进展军事领域30•民用领域•美国交通部•国家智能交通系统项目规划，1995开始，2025投入使用（用传感器网络进行地面交通管理）•Intel公司•基于微型传感器网络的新型计算发展项目，2002发布开发超微型传感器•美国DustNetworks和CrossbowTechnologies等公司：MOTE（尘粒）Smartdust(智能灰尘）已进入应用测试民用领域Chap5WSN研究进展31•美国自然科学基金委（NSF）推动下，加州大学伯克利分校、麻省理工、波士顿大学等研究机构率先开展了无线传感网络的关键技术和基础理论的研究工作•英国、意大利、日本等国的大学和研究机构•学术科技界的研究集中在网络技术、通信协议、感知数据查询处理技术和应用试验等方面学术与科技界Chap5WSN研究进展32我国的无线传感网络及其应用研究起于1999年中国科学院《知识创新工程试点领域方向研究》的信息与自动化领域研究报告，并成为该领域提出的五个重大项目之一，是我国科技领域内少数位于世界前列的方向之一。主要研究机构：中国科学院上海微系统研究所、软件研究所、电子所和自动化所等科研机构，清华大学、上海交通大学、北京邮电大学和天津大学等院校，中国移动、华为等大型企业都较早开展了无线传感网络的研究。项目资金支持：《国家中长期科学与技术发展规划》的重大专项、优先发展主题、科技前沿等部分，都将无线传感网络作为重点研究项目。目前，国家重大基础研究发展计划973计划、国家自然科学基金和国家863高技术计划也都有项目资助无线传感网络领域的基础理论和关键技术研究。中国研究进展和现状Chap5WSN研究进展33Chap6应用领域及实例分析34Chap6应用领域及实例分析Internet备注：大棚基地仓库大棚基地大棚基地大棚基地大棚基地大棚基地大棚基地大棚基地仓库农场监控端传感器节点农田无线信道公司总服务器精细农业种植35Chap6应用领域及实例分析厂房设备及环境监控36采用无线传感器网络，可以让大楼、桥梁和其它建筑物能够自身感觉并意识到它们的状况，使得安装了传感器网络的智能建筑自动告诉管理部门它们的状态信息，从而可以让管理部门按照优先级进行定期的维修工作。Chap6应用领域及实例分析建筑领域37军事领域——技术优势节点对等的网络，每个节点都具有路由功能。无线传感器网络各个节点的工作不依赖于任何预设的网络基础设施，开机后节点就可以快速自动地组成一个独立的网络，干扰或人为破坏，无线传感器网络可以在无需外界帮助的情况下有效地容纳或剔除变化的节点，通过协调互补动态连接成新的网络系统，在监测区域大量布设低成本的传感器节点与监测目标近距离的接触，对监测对象形成分布式、多角度、全方位的监测能力。具有较高的节点冗余、网络链路冗余以及采集数据冗余。战场适应能力强战场生存能力强准确性高Chap6应用领域及实例分析38Chp3服务内容军事上主要应用战场目标定位反恐装备研究战场环境侦察与监测战场效果评估Chap6应用领域及实例分析39无线传感器网络具有良好的扩展性、实时性和隐蔽性，适合对战场中运动的目标进行实时定位，以便及时地为指挥控制中心提供战场目标的实时位置信息。2003年美国国防高级研究计划局主导的NetworkEmbedandSystemTechnology项目成功验证了无线传感器网络技术的准确定位能力。该项目利用音频传感器网络可以对敌军所有参战人员的三维空间进行精确的定位，定位精度可达1.5m，定位延迟达2s。2003年8月，美国陆军在俄亥俄州开展了“沙地直线(ALineintheSand)系统”项目的研究，此系统主要研究无线传感器网络在目标识别、目标分类和目标跟踪方面的实现。Chap6应用领域及实例分析1战场目标定位40WSN在关键区域和可能路线通过飞机或其他手段可以布置大量的无线传感器节点，各个节点之间建立同步时钟，形成多条的自组织网络。无线传感器网络首先可以对战场中的地形、地貌、路况、气象、水文、敌我双方的兵力部署、武器配备和人员调动等进行远程、精确、全天候和隐蔽的侦查与监测，透明地洞察战场环境，然后对获得的原始数据进行传输、筛选、挖掘和融合，向战场指挥员提供一个动态、实时更新的战场信息数据库，最终融合来自战场的其他信息，形成己方完毕的战场态势图，为更准确地制定战斗行动方案提供情报依据和服务，提升指挥员对战场态势的感知水平。美国海军开展的“协同作战能力”(CooperativeEngagementCapa